模拟氨碱法制备纯碱实验条件优化

模拟氨碱法制备纯碱实验条件优化

封享华丁世敏张杨

长江师范学院化学化工学院，重庆涪陵408100

文章编号：中图分类号：文献标识码：B

摘要：通过实验定量研究了多种因素对模拟氨碱法制纯碱的影响，优化了实验条件。研究结果表明，吸收液浓度、吸收液温度、吸收液液面高度、通入CO2速率、吸收方式、吸收时间等因素都对NaCl的转化率产生较大的影响；条件优化后，能全面解决实验存在的问题，并使NaCl的转化率达%。

关键词：氨碱法；纯碱；实验条件；优化

氨碱法即索尔维制碱法[1]，是将NH3和CO2通入NaCl溶液，通气过程中不断析晶制得NaHCO3（溶液中共存NH4+、HCO3-、Na+、Cl-四种主要离子，由四种离子构成的四种物质NH4HCO3、 NaCl、NH4Cl、NaHCO3中，以NaHCO3溶解度最小），再加热NaHCO3制备Na2CO3的方法。工业生产中母液循环利用，NaCl转化率可达72~74%。

NH3 +CO2+H2O = NH4HCO3(1)

NH4HCO3+NaCl = NaHCO3↓+NH4Cl (2)

2NaHCO3

Na2CO3+H2O + CO2↑(3)

氨碱法制备过程中涉及称量、溶液配制、固-液反应、气体洗涤、气体吸收、过滤、加热等操作及理论，含盖的知识内容丰富，在高校教育更加重视学生能力培养的背景下，“模拟氨碱法制纯碱”成为一些高等院校化学及相关专业的综合设计性实验。

氨碱法的工业生产工艺成熟，将其转化为设计性实验时，通常根据实验原理和相关理论，容易设计出实验操作的基本轮廓：按图1装配实验装置，以氨水（代替氨气）并溶解NaCl配成吸收液；用CaCO3与盐酸反应制备CO2，并用蒸馏水洗涤CO2，除去HCl气体；然后将CO2通入吸收液，制得NaHCO3晶体，过滤，洗涤，加热制备Na2CO3。由于该实验的影响因素多，包括吸收液浓度、吸收液温度、吸收液液面高度、通入CO2速率、CO2吸收方式、吸收时间等，在进行实验设计时却难于确定其实验条件，致使实际操作中往往存在诸多问题：一是实验过程中气路堵塞，甚至导致气体回冲至滴液漏斗；二是实验时间长，通常需要小时以上；三是NaCl转化率低。

该模拟实验的研究报道极少。陈国钦老师[2]认为，实验中CO2的吸收温度和吸收方式是影响实验的关键因素，认为吸收温度在38℃-50℃均适宜，并提出了一种CO2的吸收方式：“喷散式”。而吸收液浓度、吸收液液面高度、通气速率、吸收时间等对实验的影响研究未见报道。本课题全面研究了

多种因素对实验的影响，优化了实验条件，以期解决实验中存在的问题。

1实验部分

仪器与药品

NaCl晶体，浓氨水，CaCO3固体（大理石，块状，与盐酸反应每g能产生），浓盐酸，冰。

托盘天平，250mL锥形瓶，滴液漏斗，100mL集气瓶，6mm×8mm玻璃管，各规格试管，200mL烧杯，温度计（100℃），铁架台，酒精灯等。

实验方法

(1) 吸收液配制：将一定质量 NaCl，一定体积浓氨水和一定体积蒸馏水置于一定规格的玻璃试管中混合溶解。

(2) 称取足量块状CaCO3置于锥形瓶，将一定浓度盐酸倒入滴液漏斗，将100mL蒸馏水置于集气瓶。

(3) 按图1装配仪器，检查装置气密性，加热烧杯中蒸馏水至一定温度。

(4) 打开滴液漏斗活塞，通过控制稀盐酸滴加速率，保持集气瓶中匀速产生气泡，以集气瓶中气泡产生个数度量通气速率（个/min）。

图1 实验装置图

Experimental apparatus

(5) 一定时间后停止通气，将热水浴中热水换成冰-水混合体系，冷却一定时间。

(6) 取出试管，过滤。将所得白色固体用冰水冷却的蒸馏水少量（每次3mL）洗涤2次。

(7) 固体移至蒸发皿，用酒精灯加热并不断搅拌，直至全部变为白色粉末为止，冷却，称重，计算NaCl的转化率。

2实验结果与讨论

NaCl用量等一些基础性实验参数的确定

在研究中，首先确定一些基础性实验参数是必要的。依据计算及反复多次的实验表明，NaCl用量

为，既能节约药品，又能满足产品称量时对称量误差的要求；CaCO3采用块状及盐酸体积比浓度采用1:1更容易控制气流速率；吸收液体积确定为，该体积适宜NaCl的用量及装置的要求；洗气瓶导管及吸收导管均采用6mm×8mm常规玻璃管。

吸收液浓度对实验的影响

吸收液碱性越强，越有利于溶液对CO2的吸收[3]，且NaCl浓度和氨浓度越高，越有利于NaCl向NaHCO3的转化。因此，理论上CO2的吸收液应配成被NaCl饱和的浓氨水溶液。但是该溶液的配制存在一些问题。一是较高氨水浓度下，NaCl在其中的溶解度无数据可查（NaCl在氨水中的溶解度随着氨浓度的提高而下降[3]）；二是溶解达到饱和的时间长，浪费时间。因此，应选择溶质浓度高，又能快速配制的吸收液。

表1 不同浓度吸收液对实验的影响

Table 1 Influence of absorption liquid concentration on experimental results

吸收液温度42±1 ℃，喷散式，通气速率=130±5 个/ min，t (吸收)= 90 min, t (冷却)=15 min, 18mm×180mm试管

吸收液浓度V(浓氨

水)

/mL

V(水

)

/mL

NaCl溶解

所需时间

/min

初始析晶

时间/min

NaCl转

化率/%

10:539

12:331

13:228

14:1少量不溶--

表1可见，总体积为的吸收液，随着吸收液中氨浓度的增加，初始析晶时间越小，NaCl转化率越高，但NaCl溶解所需时间越长，当吸收液氨水体积比浓度为14:1时，NaCl已不能全部溶解。综合时间和效率两个因素，选择氨水浓度为13:2的吸收液比较恰当。后面实验都以13:2配制吸收液。吸收液温度对实验的影响

吸收液温度越高，CO2、氨在水中溶解度越小，且碳酸氢铵在36℃以上开始分解为CO2、氨和水，60℃可以分解完全。因此，高温不利于NaHCO3晶体的生成；但温度低，质点运动速率慢，不利于CO2在气-液界面和液体内部的传质[4]，CO2的吸收速率小，也不利于晶体的生成。